整体式BIM—设计思维与计算思维的整合

吴吉明 赵 旭 王 娜 李 雯

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

整体式BIM—设计思维与计算思维的整合

吴吉明 赵 旭 王 娜 李 雯

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

随着科技手段的发达,越来越多的设计者开始关注于通过数字手段对建筑体型控制，然而在实践过程中，设计者却往往发现数字化的设计流程下，对设计的把控往往与原有创作流程不同步，往往很难从整体角度把控设计的走向。为了解决这样的设计实际，我们根据实际项目中的体会，提出了一套基于设计师思路的整体性的数字建构方式与逻辑优化模式。

计算思维；设计思维；信息决策；整体式BIM；设计方式；移动互联网

引言

建筑的创作大体上有两种方式，即“雕刻”与“乐高模型”。“雕刻”的方式可以理解成宏观的方式，即先区分出大致形状，再慢慢加入细节，逐步完善，从整体到局部。而“乐高模型”则是从微观构建出发，一点点用拼积木的方式搭建出模型，从局部到整体。

“构思”与“实现”是在我们的设计过成中永远都要面对的两个问题，“构思”对应着我们的设计思维，而“实现”则更多的与我们的计算思维相关联，这两者都是建筑创作不可分割的部分，在传统的BIM模式中，应用的解决方式偏于计算思维：在这种模式下，设计人通常采取的是先细部再主体的拼装模式，但这种方式却并不适合设计人对方案的整体把握，最终成果很容易整体感缺失。

1 设计思维与计算思维

设计思维与计算思维是我们对上层理论研究的基础，为了便于读者对成果体系的更好理解与宏观把握，我们首先对相关的理论进行了梳理。

1.1 设计思维

设计思维是设计和规划领域，我们对各种定义不清的问题进行调查、获取多种资讯、分析各种因素，并设定解决方案的方法与处理过程。作为一种思维的方式，设计思维具有综合处理能力的性质，能够理解问题产生的背景、能够催生洞察力及解决方法，并能够理性地分析和找出最合适的解决方案。[1]

通过了解设计师们所用的构思方法和过程，理解设计师们处理问题和解决问题的角度，我们有机会更好地连接和激发构思，从而达到更高的创新水平，并产生更高的效率。设计思维是一种以解决方案为基础的，或者说这是一种以解决方案为导向的思维形式，它不是从某个问题入手，而是从目标或者是要达成的成果着手，然后通过对当前和未来的关注，同时探索问题中的各项参数变量及解决方案。

设计师在产生和完善构思时，主要需要考虑的是有助于确定设计方案、获得反馈并完善设计要素。在这样方式的控制下团队能够通过每一项工作获得确认，更高效也更容易促进方案自身的推进。

设计思维是应对这样变化而应运而成的思维方式。作为一种思维方式，设计思维有它的优势和局限。优势就是便于设计师从整体进行思考，把握大局，切中要害，能更加贴合客户的要求。局限性在于有可能会忽略一些基础性的细节，导致后面工作的不便。

1.2 计算思维

相比设计思维，计算思维是一种按照计算机科学的基本概念和方法，来理解需求、设计系统、实现编程、解决问题的思维方法。简而言之，计算思维就是程序员或计算机科学家是如何思考的。这是一种是计算机的思维方式。

计算思维通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释并简化；是一种递归思维，是一种并行处理，它利用启发式推理寻求解答，它利用海量数据来加快计算。

计算思维的核心本质就是抽象和自动化。计算思维中的抽象完全超越物理的时空观，并完全用符号来表示。计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，力主由机器执行。计算方法和模型使我们敢于去处理那些原本无法由个人独立完成的问题求解和系统设计。

“计算思维把代码译成数据又把数据译成代码。它是由广义量纲分析进行的类型检查。对于别名或赋予人与物多个名字的做法，它既知道其益处又了解其害处。对于间接寻址和程序调用的方法，它既知道其威力又了解其代价。它评价一个程序时，不仅仅根据其准确性和效率，还有美学的考量，而对于系统的设计，还考虑简洁和优雅。”[2]

计算思维的优势在于其细节性与实操性，以及对大规模重复性计算的应用。它的局限性体现在可能因为过度注重细节和技术性导致忽略整体，在宏观层面上难以使人满意。

1.3 两种不同思维方式的对比

设计思维与计算思维是两种不一样的解决问题的思路，他们广泛应用于我们的日常设计工作之中。设计思维是一种结果导向的解决问题方式，在设计思维中，我们先设定一个解决方案，然后来确认能够使目标达成的足够多的因素，最终使通往目标的路径得以实现。因此在设计思维中，解决方案的提出实际上就是设计起始点。

而计算思维，是一种典型的推导式思维，它处理问题的方式是先确定解决问题中所涉及的各个变量，然后再通过抽象思维、逻辑推理和分析等方式，确定各变量间的联系。从而推导出最后的设计结论，因此在典型的计算思维中，解决问题的方式是的递归处理后的一个必然结构。

两种思维方式各具特点，设计思维偏于宏观构架，而计算思维强于协助成果落地与推进。两种思维侧重不同但又互为补充，我们希望通过两种思维模式的研究以及自身设计实践中的分析，有效的对两者进行整合，并得出最适合目前我国设计实际的工作方法，给更多人予以启发。

2 整体式BIM的设计方式

我们认为在现有的BIM模式中应该更多地加入“构思”也就是“设计思维”的元素，我们提出的整体式BIM的理论创新性地提出“先整体再细部”的全新BIM的构建模式。在这种模式下，项目的构建从设计的主体结构入手，上层问题解决后，再逐步进行细化的这是一种“雕刻式”的设计师的思维，而非传统BIM模式下的“乐高玩具拼装”的过程。

本文旨在梳理标准设计院体系下的BIM 的平顺过渡方式，改变传统拼装式BIM, 始终贯彻整体式设计，注重设计效率的提升，强调设计主导下的整体BIM研究方式。我们将本研究的重点放在了各操作平台间的高效衔接，研究过程中我们也总结了以往的经验，并针对国有大型设计院的实际进行了优化。

2.1 设计院推行BIM的现状条件

现有设计院条件下，相关的技术支持措施越来越完备，配合方的配合模式和手段也越来越多元化。设计院已具备了实现BIM的各项前置条件。然而由于效率与回报尚未形成良性循环，且业主方对BIM项目更关注的也只在于项目的落地可行性与时间成本等方面。[3]

而在管理模式方面，由于BIM模式的体系化操作与质量管理体系间的隔阂，流程性的管理往往会给实际操作带来繁琐与冗余操作，且目前的管理模式相对效率低下。如何更好地平衡管理，与更便捷的操作仍是我们未来一段时间亟待解决的问题。

对于广大的一线设计人员，长期习惯性操作难以改变，针对性的培训成本巨大，难于直接转换为生产力。而传统设计模式在设计的很多环节中，还有具有巨大的优势，不容忽视。

2.2 针对设计院BIM项目推进的几点优化(图1)

(1)整体推进：我们强调整体化的BIM设计模式：发挥各软件最强优势，整体推进，最大化改变了旧有BIM实操时拼装式的感受。强调：整体推进+信息注入，提出了“偷梁换柱式“的设计模式；

(2)文件体系构架：基于协同的文件体系构架，我们利用标准的操作流程以及文件夹树构成，解决跨软件间的模型交互；[4]

(3)推广的策略：我们强调核心团队—以点带面, 避免低水平重复；

(4)体系化策略：我们提出的策略逻辑是，采用更高起点体系化注重接口的开放与衔接而非仅具体应用；

(5)平顺的过渡：以合理的工作方式联系各软件的平台，发挥各软件的优势；

(6)文件树构架：注重依靠工作方法流程，解决软件互导的便捷性；

(7)回馈与总结：建立BIM的启动机制，方法总结，强化日常的交流与推广。

3 实践案例及总结

理论结合实际是我们这个项目的一个重要特点，为了更好地解释整体式BIM设计中思维与计算思维的整合，我们通过若干个实践案例分析了整体式BIM的最重要核心：摆脱枷锁——减少冗余操作对于高层级的操作而言，越级的操作效率很低，花费大量精力却对整体方案推进收效甚微。通过打包信息注入封装替换等方式，我们完全有机会通过很简单的操作完成越级的表达。使用的手段并不重要——“不管黑猫白猫，可以抓到老鼠的就是好猫。”

3.1 模拟/近似、优化、分层与封装——山东考古工厂替换方式研究

“在现代化的工业生产中，不断出现一些较复杂的设备或装置，这些设备或装置的本身所要求的被控制参数往往较多，因此，必须设置多个控制回路对该种设备进行控制。由于控制回路的增加，往往会在它们之间造成相互影响的耦合作用，由于耦合关系，往往使系统难于控制、性能很差”——百度搜索中对“解耦”词条的解释。

图1 设计院体系下的BIM平台建设思考

图2 山东考古工厂群体关系

图3 山东考古工厂 外围护结构利用动态引用SKP 文件进行整体设计

在计算逻辑中对应便是数学中的“解耦”，是指使含有多个变量的数学方程变成能够用单个变量表示的方程组，从而简化分析计算。通过适当地控制量的选取，坐标变换等手段将一个多变量系统化为多个独立的单变量系统的数学模型，即解除各个变量之间的耦合。软件开发中的耦合偏向于两者或多者的彼此影响，解耦就是要解除这种影响，增强各自的独立存在能力。

山东省文物保护科研修复工厂集收藏、保护、科研、培训、展示于一体，是山东文物保护科研信息交流与业务培训的平台，中外学术研究与交流的窗口，也是广大群众了解考古知识，品赏考古成果的优雅场所。(见图3)

在山东考古项目的案例中，我们充分利用了近似模拟与封装的手段，将主要的形体关系及外皮始终通过的引用替换的手段，在主体BIM模型中进行替代表达。设计人员熟悉的Sketchup模型仅通过简单的操作便于主体BIM模型链接，并产生关联。分工合作的设计人员，实时可以了解到项目的整体进展，并与之互动(图4)。而实际的操作并未因此大幅增加。这种控制思路事实上对应的就是设计思维的整体观与计算思维的“解耦”操作的一种整合。

3.2 复杂建模与分层控制——天师大学体育馆项目模型控制方式研究

对于复杂的模型结构必须要考虑模型建构的逻辑关系,并应充分考虑和上层规划逻辑的对接。

天狮大学体育中心位于天狮大学天津武清校区，总用地面积109240m2，总建筑面积71000m2，其中包括一座3万人体育场和一座4千人体育馆。

体育中心建筑单体的设计，是在前期333 hm3校园大规划的基础上进行的。园区北侧不但有标志性的龙凤河景观，而且内部也由大小不同的人工水系串联。规划设计中丰富的水纹肌理，为建筑师提供了灵感来源：建筑师用一条“流动”的曲线，勾勒出整体建筑轮廓，化零为整，整合建筑功能，顺应不规则用地形状，一气呵成，整个建筑形态应该极具运动感，呼应体育建筑的功能特点，天际线轮廓应该高低起伏，像空中随风飘舞的绸带一样，充满激情与活力，而又不失浪漫气质。(见图4)

图4 天狮大学体育中心西南侧鸟瞰效果图

图5 GH界面编写数学模型程序

对建筑师而言，这个项目方案阶段的工作具有一定的实验性，尤其是对一些自由曲面造型的处理。相对应用历史“悠久”一点的CAD软件，和新兴参数化软件之间的逻辑转换，不但能帮助建筑师更好地把握不规则造型的精确性，还可以大幅度提高工作效率。GH提供的数学模型没有摒弃传统的模型建构方法，而是在原来的基础上，极大地优化了模型的可操控性。(见图5)

关于本项目针对建构方式的思考我们总结如下：

1)更少的控制点更有利于打造更流畅的建构控制；

2)数字模型在各种转换与输出的过程中必须要进行适当的优化；

3)模型应保证有效拆分可能:合理时机与拆分原则；

4)模型的转换过程应注重与精度以及与衔接部位的交接；

5)各控制项间应考虑适宜联动关系的并进行有效的规划设置。

3.3 分解与分层操作——长安运河项目的全流程管控

分解与分层的方法是计算思维中的重要步骤，也是设计思维中解决复杂问题的重要手段。任何一个完整的设计项目都可以看成是由若干个互有联系但是可以分割的部分构成的，而每一个独立的部分我们又可以把它看成一个有着独立边界的新的项目。我们日常的每一个实际工程都像浩瀚的宇宙，从宏观到微观，每一个层面都存在着太多可独立分割的个体。分解成子项后，项目由原来的宏大变成可控。而通过分层，我们拥有了更多驾驭复杂交错手段的能力。

中国大运河作为世界上里程最长、最古老且任在使用的人工运河已成功进入了世界文化遗产名录，长安运河项目正是位于这条中国古动脉的北端起点，长安街的东延长线，大运河的入京处的关键节点处。这里是未来通州CBD的核心地块。项目造型多变，与周边环境协调难度大，配合顾问公司多达十余家。(见图6)

图7 多样化的移动应用

分解成子项目：本项目作为一个大的总体规划楼栋较多，初期分成四期项目。按方位和施工顺序施工难度，将一个巨大的规划划分成四个相对于小的子部分，从整体上方便更好地控制，从单体上也便于灵活掌握项目进度和进程。

子项目分层处理：总体规划-子项目-分层递进，通过把一个整体不停的拆分发散，变成细小的部分，每个部分都与整体相关联，便于控制和整体协调，有可以分门别类单独设计。从子项目中再逐步分层处理，细分成水域景观设计，地面景观设计和建筑单体设计。把每一个子项目逐一分层进行设计，从整体到局部，从整体规划到单体设计。这样的分层级全流程管控使整个项目能高效有序地进行，而在核心控制的方式的选择上，也是我们从构思到实现的一次全程整体式BIM尝试。从构思阶段的手绘草稿矢量化，到最终的施工现场配合，我们关注着未来给予移动互联的各种可能。[4]这也让我们对未来整体式BIM模式充满了信心！

4 结论

从宏观世界到微观实现，我们的设计世界存在着太多需要解决的问题。

而我们设计是一个反复的过程，在中国的设计条件下就更是如此，就比如对方案的宏观性把控存在于从客户委托到设计完成这一过程的每个阶段。客户提出的任何设计要求都可以有多种解决方案，而且它们在创新性、实用性和预算等方面也都会有不同侧重与解决。在高效的设计模式中，设计师会根据设计任务书内容，查阅参考资料，通过“头脑风暴”等形式产生设计灵感，并逐步整合，把它们发展成一个或几个方案。而在设计的下一步工作中，确定一个明确的发展方向并进行优化非常的重要。最终的决策需要准确并利于衡量，且有目标适应性。因为单一的设计方案是很难满足任务书中的所有要求，它只是侧重于解决某一领域的问题。

但事实上诸如成本和时间等其他因素也与最终选择的策略有关，这些基础性的因素在定义阶段

就应该确定，并且在整个设计进程中都应予以考虑。但这些有可能随着进程的发展而变化。完美的方案往往会超出原本的预算，因此在很多情况下我们的建设方往往会选择一种成本更低的方式。设计师可以向客户提交其认为最好的设计方案，虽然专业的意见和建议很重要，但只有客户自己才最了解自己的业务、市场和顾客，他们会根据自己的经验做出最终的选择。而这很可能与设计师的首选方案不同。

5 信息矩阵以及关联推进

在与设计相关的各个信息矩阵中，各个层级的信息相互影响着，他们从宏观到微观始终发生着关联，相同层级的各个要素相互关联制约，形成实物最终成型的动力。而不同宏观层级的思考要素则关联关系很微弱。因此从最高效率原则，我们在解决问题时一定先以解决上层关联为先，解决同级关联一定是先解决短板问题为先。再遇到跨级问题时，应采用化简、替换、局部封装等方式以整体方式进行替换。一定要以最简单以及一线人员最熟悉的方式对关键信息进行表达。解决问题时我们一定要注重外延边界，注重边界与上层的构建逻辑的平顺对接，而放松对内其数据内核格式及的构建方式的要求。

而在复杂建构中，我们一定要强调整体式建构逻辑，明确与专业BIM工程师的工作界面，强化工作配合。

6 结论

BIM的设计方式是未来设计的趋势，也是每个设计人员都必须面对的一个事情。充分理解好整体试构思的原则，将大大提高设计人员的工作效率，减少无谓劳动，BIM将真正会归于设计而仅非建造。

[1]Jeannette M.Wing Computational Thinking and Thinking about Computing[EB/OL]，2008，3.

[2]设计思维ISBN编号: 9787500694854出版时间: 2010.09出版社: 中国青年出版社作者：(英国)加文·安布罗斯(Gavin Ambrose)(英国)保罗·哈里斯(Paul Harris)译者：詹凯臧迎春贺贝

[3]吴吉明.数字信息模型(BIM)与我国的建筑设计[J].工程设计与计算机技术：第十五届全国工程设计计算机应用学术会议论文集[C].2010

[4]吴吉明.建筑信息模型系统(BIM)的本土化策略研究[J]. 土木建筑工程信息技术, 2011,3(3):45-52.

[5]吴吉明，张庆利.从构思到实现——移动平台上的设计与云应用研究[J].土木建筑工程信息技术，2013，5(5)：11-20.

Integral BIM——Integrate Design Thinking with Computational Thinking

Wu Jiming, Zhao Xu, Wang Na, Li Wen

(BeijingInstituteofArchitecturalDesign(BIAD)，Beijing100045,China)

With the technology developing fast, more and more designers begin to concentrate on the digital ways of controlling the shape of architecture. While in the process of practice, designers always find that real situation and the original assumption are out of sync when using digital ways. It’s easy to get stuck in specific things and lose sight of the overall aim. In order to solve this problem, we have worked out the integrity of digital construction method with logic optimization model based on designers’thinking.

Computational Thinking； Design Thinking； Information Decision； Integral BIM； Design Approach； Mobile Internet

北京市建筑设计研究院有限公司支持课题“整体式的BIM设计方式研究-基于协同与替换模式的多平台整合应用”(编号：FJW2014-81)

吴吉明(1978-)，男，主任建筑师，国家一级注册建筑师，高级建筑师。主要研究方向：建筑设计、BIM云及互联网。

TU201;G202

A

1674-7461(2015)02-0001-08